ミニレビュー論文
再生可能な高分子材料に由来する柔軟な
ナトリウム･イオン電池研究の進歩
By Xiang-Xi He, Xiao-Hao Liu, Zhuo Yang, Hang Zhang, LI Li, Gang Xu, Yun Qiao, Shu-Lei Chou, Minghong Wu
Electrochemistry Communications 2021;128: 2021.07
ハイライト
● 柔軟なナトリウム･イオン電池に基づく環境に優しい持続可能な開発概念が提唱されている。
● 高分子材料に由来する柔軟な有機電極材料と柔軟な炭素材料が要約されている。
● 柔軟な電極材料の選択戦略と調製方法について説明する。
● 柔軟なナトリウム･イオン電池用の再生可能なポリマー材料の課題をレビューする
要約
ナトリウム･イオン電池はナトリウム資源が豊富なため近年、急速に発展している。有機ポリマーとその派生炭素材料は資源が豊富で環境負荷が小さく、構造設計が制御可能であり、ナトリウム･イオン電池の陽極と陰極に直接使用できる。これは環境に配慮した持続可能な開発にとって非常に重要である。有機ポリマーはその固有の柔軟性により柔軟性のあるナトリウム･イオン電池にも大きな利点をもたらす。ナトリウム･イオン電池における柔軟な有機ポリマー材料と柔軟なポリマー由来の炭素材料の研究の進歩をレビューする。その中で柔軟な有機ポリマー材料は柔軟な有機ポリマーのカルボニル基とグラフェン／カーボン・ナノチューブとの複合材料に分けられる。ポリマー由来の炭素材料については、いくつかの異なる前駆体と調製方法を紹介する。
1． はじめに
リチウム・イオン電池は過去20年間、電気自動車への電力供給において急速な発展を遂げてきた。しかし、リチウム資源の不足は将来の持続可能な供給に影響を与える可能性がある。近年、電気自動車への電力供給や大規模エネルギー貯蔵の分野におけるリチウム・イオン電池の急速な発展は希少なリチウム資源の消費を加速させる可能性がある。柔軟な携帯型電子エネルギー貯蔵装置の用途も制限される可能性がある。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と比較して同様の電気化学的特性を持っているが、無機元素を含む同様のタイプの陰極材料の使用は依然として消費鉱物資源である。
一方、有機材料は無機材料に比べて幾つかの利点がある。第一に、有機物は主にC, O, N, Sに富む天然元素を含み、適切な状況下でバイオマス資源から得ることができる。第二に、有機材料は柔軟な分子構造を持ち、その上、官能基を簡単に制御してナトリウム･イオン電池の陰極または陽極で使用するための酸化還元および電気化学的特性を調整できる。しかし、現在の有機電極材料には依然として多くの欠点があり、特に幾つかの小さな有機化合物が非プロトン性電解質に溶解する傾向があり、これは深刻な容量低下につながる可能性がある。代わりに有機ポリマーの設計は効果的な戦略である。有機ポリマーはその固有の柔軟性により気相重合、真空ろ過、静電紡糸などの方法により、ナトリウム･イオン電池の陰極と陽極用の柔軟な自立材料にできる。さらに、ナトリウム･イオン電池用の最も市販されている硬質炭素材料も有機ポリマーまたはバイオマス材料から得られることが考えられる。有機ポリマーをベースにしたフィルムはナトリウム･イオン電池に適した柔軟な自立型硬質炭素陽極を調製するために直接炭化できる。
グラフの要約(省略)に示されているように、完全に低コストで持続可能で再生可能な材料で作られた柔軟なナトリウム･イオン電池の設計を示している。柔軟な有機ポリマー材料の中で主な焦点はカルボニル材料とグラフェンおよびカーボン・ナノチューブと複合されたそれらの柔軟な電極にある。柔軟なポリマーに由来する自立型炭素陰極は主に以下の戦略により合成されたポリマー・フィルムの二次炭化によって得られる：1) 市販の炭素布と炭素紙；2) エレクトロスピニングによって高分子有害物から作られた柔軟なフィルム；3) 微生物発酵によって調製された柔軟な膜；4) その場重合によって調製された柔軟な膜。
2．柔軟な自立型ポリマー有機陰極／陽極
有機電極材料はウィリアムズと彼の同僚によって最初に報告された。設計の多様性、柔軟性、低コスト、環境への配慮により多くの研究者の関心を集めている。有機電極材料の固有の柔軟性は柔軟なナトリウム・ベースのエネルギー貯蔵システムの電極材料と見なされる。有機電極材料の多様性は主にその動作電圧、溶解度に反映され、イオン伝導度を調整できる。しかし、従来の非水電解質におけるほとんどの有機電極材料の低い導電率および高い溶解度は現在、それらの開発を制限している。高分子有機材料の設計は将来この問題を解決するための効果的な方法の1つであるように思われる。さらに、有機分子とグラフェンまたはカーボン・ナノチューブの複合体は溶解性の問題を抑制するだけでなく、ある程度の柔軟性を高めることもできる。
2.1. 柔軟な有機カルボニル材料
2.2. 柔軟な有機複合材料
以上の節は省略。
3．ポリマー材料に由来する柔軟な自立型炭素陽極
他の変換材料や合金と比較してナトリウム･イオン電池陽極用の硬質炭素材料には低コスト、高い初期クーロン効率および優れたサイクル安定性という利点がある。硬質炭素前駆体はまたはいくつかのタイプのセルロース、リグニン、ヘミセルロースからなるバイオマスなどの高分子有機材料に由来する。したがって、持続可能な資源が豊富な炭素材料は商業化のための最も有望な陽極材料であると考えられる。高分子材料の固有の柔軟性を使用して合成された自立膜は、合成された柔軟な電極にさらに炭化することができる。
3.1．柔軟な電極に直接使用される市販の炭素布／紙
3.2．エレクトロスピニングによって調製された柔軟なポリマー電極
3.3．微生物発酵によって調製された柔軟な電極
3.4．化学重合による柔軟な高分子電極の調製
以上の節は省略。
4．展望
有機ポリマー材料はナトリウム･イオン用の柔軟な自立型陰極および陽極に直接作られ、多くの利点がある。主な利点は次の通りである：1) 有機ポリマー材料の持続可能性と低コスト；2) 様々なレドックスおよび電気化学的特性に調製できる有機ポリマー材料の柔軟な分子構造；3) 有機ポリマー材料の固有の延性と柔軟性は簡単にフィルムにできる；4) 有機高分子材料は主にC, H, O, Nなどで構成されており、膜形成後の直接熱処理により自立型炭素陽極材料に合成できる。膜が形成された後、直接熱処理によって自立型炭素陽極材料から合成できる。
ナトリウム･イオン電池用の柔軟な有機ポリマーは将来の最も望ましい環境に優しい持続可能なエネルギー貯蔵装置と考えられている。しかし、大規模な用途を妨げる科学的および技術的な課題がまだある：1) 有機材料の固有の低い電気伝導率は電池性能に大きく影響する；2) 有機ポリマーは依然として溶解の問題があり、サイクル安定性が低く、初期クーロン効率が低くなる；3) 有機材料には一般的に複数の放電段階があり、実際の電池管理システムの管理では困難な場合がある；4) 両方の高い電位を満たす柔軟な有機陰極材料にとって高い比容量および優れたサイクル安定性の両方にとって依然として大きな課題である。柔軟な有機材料に由来する炭素陽極の必要性は商業化に必要な低電位、高容量、高い初期クーロン効率および優れたサイクル安定性のこれらの基準を満たすことができる。柔軟な有機フィルムの高温炭化は材料をより脆くし、より小型の伸縮性および折りたたみ性の分野での将来の用途に影響を与える可能性がある。さらに、柔軟なナトリウム･イオンに関する現在の研究には、柔軟性と電気化学的特性に対する柔軟性の影響をテストするための統一された基準がない。したがって、再生可能な有機材料とその派生炭素材に基づいて完全に柔軟なナトリウム･イオン電池を構築することに関する将来の研究にはまだ多くの道のりが必要である。
